Treatment of wastewater by electrocoagulation: efficiency, modeling and control approaches

Abstract

Electrocoagulation is a treatment method that removes pollutants by electrochemical reactions by applying electric current to anode and cathode metals immersed in wastewater. It stands out with its advantages such as lower energy consumption, less chemical use and short process time compared to traditional methods. However, the effectiveness of this process depends on many factors such as current density, electrode type, electrode connection configuration, pH and temperature. In this study, electrocoagulation studies carried out in different wastewaters, especially in the textile and paper industry, were reviewed and the effects of the parameters on the treatment process were examined in detail. Studies show that over 90% Chemical Oxygen Demand (COD) removal efficiency can be achieved as a result of the electrocoagulation process in both the paper and textile industries. As a result of modeling and control studies conducted on different wastewaters, with optimization and control applications, it was determined that an increase in treatment efficiency and a decrease in energy costs were achieved. In this article, the basic working principles of the electrocoagulation process, the factors affecting the process and modeling and control studies aimed at improving the process are analyzed comprehensively.

Keywords

• Wastewater treatment
• electrocoagulation
• control and modeling.

Elektrokoagülasyon yöntemiyle atık sularının arıtımı: etkinlik, modelleme ve kontrol yaklaşımları

Abstract

Elektrokoagülasyon, atık suya daldırılmış anot ve katot metallerine elektrik akımı uygulanarak kirleticilerin elektrokimyasal reaksiyonlarla giderilmesini sağlayan bir arıtma yöntemidir. Geleneksel yöntemlere kıyasla daha düşük enerji tüketimi, daha az kimyasal kullanımı ve kısa işlem süresi gibi avantajlarıyla öne çıkar. Ancak, bu prosesin etkinliği; akım yoğunluğu, elektrot tipi, elektrot bağlantı konfigürasyonu, pH ve sıcaklık gibi birçok faktöre bağlıdır. Bu çalışmada, tekstil ve kağıt endüstrisi başta olmak üzere farklı atık sularda gerçekleştirilen elektrokoagülasyon çalışmaları gözden geçirilmiş, parametrelerin arıtma süreci üzerindeki etkileri ayrıntılı şekilde incelenmiştir. Araştırmalar hem kağıt hem de tekstil endüstrisinde elektrokoagülasyon prosesi sonucunda %90’ın üzerinde Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) giderim veriminin elde edilebileceğini göstermektedir. Farklı atık sular üzerinde yapılan modelleme ve kontrol çalışmaları sonucunda, optimizasyon ve kontrol uygulamalarıyla, arıtma veriminde artış ve enerji maliyetinde azalma sağlandığı tespit edilmiştir. Bu makalede, elektrokoagülasyon prosesinin temel çalışma prensipleri, proses üzerinde etkili olan faktörler ve süreci iyileştirmeye yönelik modelleme ile kontrol çalışmaları kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir.

Keywords

• Atık su arıtımı
• elektrokoagülasyon
• kontrol ve modelleme

References

1. Chen, G., Electrochemical technologies in wastewater treatment, Separation and Purification Technology, 38, 11-41, doi:10.1016/j.seppur.2003.10.006, (2004).
2. Matteson, M. J., Dobson, R. L., Glenn, R. W., Kukunoor, N. S., Waits, W. H. ve Clayfield, E. R., Electrocoagulation and separation of aqueous suspensions of ultrafine particles, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 104, 101-109, (1995).
3. Karef, S., Kettab, A., Loudyil, D., Bruzzoniti, M. C., Bubba, M., D., Nouh, F., A., Boujelben, N., ve Mandi, L., Pollution parameters and identification of performance indicators for wastewater treatment plant of Medea (Algeria), Desalination and Water Treatment, 65, 192–198, doi:10.5004/dwt.2017.20290, (2017).
4. Chung, M., C., Hong, W., S., Cho, K. ve Hoffmann, M.R., Degradation of organic compounds in wastewater matrix by electrochemically generated reactive chlorine species: kinetics and selectivity, Catalysis Today, 313, 189–195, doi:10.1016/j.cattod.2017.10.027, (2018).
5. Mao, Y., Zhao, Y. ve Cotterill, S., Examining current and future applications of electrocoagulation in wastewater treatment, Water, 15, 8, 1455, doi:10.3390/w15081455, (2023).
6. Kobya, M., Bayramoğlu, M., Can, O. T. ve Sözbir, M., Endüstriyel atıksuların arıtılması için elektrokimyasal reaktör geliştirilmesi, TÜBITAK Proje No:104Y267, Kocaeli, (2008).
7. Katal, R. ve Pahlavanzadeh, H., Influence of different combinations of aluminum and iron electrode on electrocoagulation efficiency: Application to the treatment of paper mill wastewater, Desalination, 265, 199-205, doi:10.1016/j.desal.2010.07.052, (2011).
8. Camcıoğlu, Ş., Kâğıt endüstrisi atık sularının elektrokimyasal yöntemle arıtılması, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2016).

9. Sahu, O., Mazumdar, B. ve Chaudhari, P. K., Treatment of wastewater by electrocoagulation: a review, Springer Environmental Science and Pollution Research, 21, 2397–2413, doi:10.1007/s11356-013-2208-6, (2014).
10. Hakizimana, J. N, Gourich, B., Chafi, M., Stiriba, Y., Vial, C., Drogui, P. ve Naja, J., Electrocoagulation process in water treatment: a review of electrocoagulation modeling approaches, Desalination, 404, 1-21, doi:10.1016/j.desal.2016.10.011, (2017).
11. Süzen, Y., Yonga levha endüstrisi atık sularının kimyasal ve elektrooksidasyon yöntemleriyle arıtımı ve optimizasyonu, Doktora Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, (2023).
12. Bayramoglu, M., Kobya, M., Can, O. T. ve Sozbir, M., Operating cost analysis of electrocoagulation of textile dye wastewater, Separation and Purification Technology, 37, 117–125, doi:10.1016/j.seppur.2003.09.002, (2004).
13. Zodi, S., Louvet, J. N., Michon, C., Potier, O., Pons, M. N., Lapicque, F. ve Leclerc, J. P., Electrocoagulation as a tertiary treatment for paper mill wastewater: removal of non-biodegradable organic pollution and arsenic, Separation and Purification Technology, 81, 62–68, doi:10.1016/.seppur.2011.07.002, (2011).
14. Veli, S., Arslan, A. ve Yılmaz, E., Elektrokoagülasyon prosesi ile hastane atıksuyunda toplam organik karbon giderimi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 35, 65-78, (2015).
15. Özyonar, F. ve Karagözoğlu, B., İçme sularından elektrokoagülasyon ve kimyasal koagülasyon ile bulanıklığın giderimi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27, 1, 81-89, (2012).
16. Bayar, S., Yıldız, Y. Ş., Yılmaz, A. E. ve İrdemez, Ş., The effect of stirring speed and current density on removal efficiency of poultry slaughterhouse wastewater by electrocoagulation method, Desalination, 280, 103-107, doi:10.1016/j.desal.2011.06.061, (2011).
17. Şengil, İ. A. ve Özacar, M., Treatment of dairy wastewaters by electrocoagulation using mild steel electrodes, Journal of Hazardous Materials, 137, 2, 1197-1205, doi:10.1016/j.hazmat.2006.04.009, (2006).
18. Ricordel, C. ve Djelal, H., Treatment of landfill leachate with high proportion of refractory materials by electrocoagulation: System performances and sludge settling characteristics, Journal of Environmental Chemical Engineering, 2, 1551-1557, doi:10.1016/j.ece.2014.06.014, (2014).
19. İnan, H., Dimoglo, A., Şimşek, H. ve Karpuzcu, M., Olive oil mill wastewater treatment by means of electro-coagulation, Seperation and Purification Technology, 36, 23-31, doi:10.1016/S1383-5866(03)00148-5, (2004).
20. Solak, M., Pakdil, N. B., Kılıç, M. ve Kobya, M., Elektrokoagülasyon prosesi ile patates cipsi üretim atıksularından fosfor giderimi: Elektrot materyali karşılaştırması, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22, 2, 302-313, doi:10.16984/saufenbilder.340123, (2018).
21. Topal, S., Kâğıt endüstrisi atık sularının elektrokimyasal yöntemi ile arıtımı, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, (2015).
22. Kurtoğlu Akkaya, G. ve Üçgül İ., Doğrudan güneş enerjisi kullanılarak tekstil atıksularının elektrokoagülasyon ile arıtımı, Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 13, 2, 504-516, doi:10.31466/kfbd.1227078, (2023).
23. Yalçın, H. ve Gürü, M., Su teknolojisi, Palme Yayıncılık, Ankara, (2010).
24. Restrepo, A., Arango, A. ve Garc´es, L., La electrocoagulaci´on: retos y oportunidades en el tratamiento de aguas, Produccion+ Limpia 1, 2, 58-77, (2006).
25. Ruiz, A. A., La electrocoagulaci´on: una alternativa para el tratamiento de aguas residuales, Revista Lasallista de Investigación, 2, 1, 49–56, (2005).
26. Ardhan, N., Ruttithiwapanich, T., Songkasiri, W. ve Phalakornkule, C., Comparison of performance of continuous-flow and batch electrocoagulators: a case study for eliminating reactive blue 21 using iron electrodes, Separation and Purification Technology, 146, 75-84, doi:10.1016/j.seppur.2015.03.028, (2015).
27. Uğurlu, M., Gürses, A., Doğar, Ç. ve Yalçın, M., The removal of lignin and phenol from paper mill effluents by electrocoagulation, Journal of Environmental Management, 87, 420–428, doi:10.1016/j.jenvman.2007.01.007, (2008).
28. Uğurlu, M., Elektrokoagülasyon yöntemiyle kağıt atık sularında bazı inorganik bileşenlerin giderilmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 17, 3, 85-99, (2004).
29. Bayramoglu, M., Eyvaz, M., ve Kobya, M., Treatment of the textile wastewater by electrocoagulation: economical evaluation, Chemical Engineering Journal, 128, 155–161, doi:10.1016/j.cej.2006.10.008, (2007).
30. Zodi, S., Potier, O., Lapicque, F. ve Leclerc, J. P., Treatment of the textile wastewaterss by electrocoagulation: effect of operating parameters on the sludge settling characteristics, Separation and Purification Technology, 69, 29–36, doi:10.1016/j.seppur.2009.06.028, (2009).
31. Lin, S.H. ve Peng, C.F., Treatment of textile wastewater by electrochemical method, Water Research, 28, 2, 277–282, doi:10.1016/0043-1354(94)90264-X, (1994).
32. Can, O. T., Kobya, M., Demirbaş, E. ve Bayramoğlu, M., Treatment of the textile wastewater by combined electrocoagulation, Chemosphere, 62, 181-187, doi:10.1016/j.chemosphere.2005.05.022, (2006).
33. Khansorthong, S. ve Hunsom, M., Remediation of wastewater from pulp and paper mill industry by the electrochemical technique, Chemical Engineering Journal, 151, 228-234, doi:10.1016/j.cej.2009.02.038, (2009).
34. Al-Shannag, M., Lafi, W., Bani-Melhem, K., Gharagheer, F. ve Dhaimat, O., Reduction of COD and TSS from paper industries wastewater using electrocoagulation and chemical coagulation, Separation Science and Technology, 47, 5, 700-708, doi:10.1080/01496395.2011.634474, (2012).
35. Zaied, M. ve Bellakhal, N., Electrocoagulation treatment of black liquor from paper industry, Journal of Hazardous Materials, 163, 995-1000, doi:10.1016/j.hazmat.2008.07.115, (2009).
36. Sridhar, R., Sivakumar, V., Immanuel, V. P. ve Prakash, M. J., Treatment of pulp and paper industry bleaching effluent by electrocoagulant process, Journal of Hazardous Materials, 186, 1495-1502, doi:10.1016/j.hazmat.2010.12.028, (2011).
37. Mirsoleimani-azizi, S. M., Salkhordeh-panbechouleh, S. ve Amooey, A. A., Modeling and optimization of current density for electrocoagulation removal of endosulfan by artificial neural network (ANN), The 9th International Chemical Engineering Congress & Exhibition (IChEC 2015), Shiraz, İran, (2015).
38. Demirci, Y., Pekel, L. C., Altınten, A. ve Alpbaz, M., Elektrokoagülasyon reaktöründe bulanık kontrol metodu ile pH, iletkenlik ve sıcaklığın eş zamanlı kontrolü, Gazi Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31, 4, 987-996, doi:10.17341/gazimmfd.278454, (2016).
39. Safonyk, A., Targoniy, I., Yuriy, M. ve Bomba, A., Research and automation of the process of wastewater treatment electrocoagulation, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) International Conference on Computer Science and Information Technologies (CSIT), Lviv, Ukrayna, (2018).
40. Camcıoğlu Ş., Özyurt, B. ve Hapoğlu H., Elektrokoagülasyon yöntemiyle kâğıt atık suyu arıtımında pH kontrolü, Anadolu Üniversitesi, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 16, 2, 107-115, doi:10.18038/btd-a.95571, (2015).
41. Kothari, M. S., Vegad, K. G., Shah, K. A. ve Hassan, A. A., An artificial neural network combined with response surface methodology approach for modelling and optimization of the electro-coagulation for cationic dye, Heliyon, 8, 1, e08749, doi:10.1016/j.heliyon.2022.e08749, (2022).
42. Shirkoohi, M. G., Tyagi, R. D., Vanrolleghem, P. A. ve Drogui, P., A comparison of artificial intelligence models for predicting phosphate removal efficiency from wastewater using the electrocoagulation process, Digital Chemical Engineering, 4, 100043, doi:10.1016/j.dche.2022.100043, (2022).
43. Graça, N. S., Ribeiro, A. M. ve Rodrigues, A. E., Modeling and optimization of a continuous electrocoagulation process using an artificial intelligence approach, Water Supply, 22, 1, 643-658, doi:10.2166/ws.2021.249, (2022).
44. Obi, C. C., Nwabanne, J. T., Igwegbe, C. A., Abonyi, M. N., Umembamalu, C. J. ve Kamuche, T. T., Intelligent algorithms-aided modeling and optimization of the deturbidization of abattoir wastewater by electrocoagulation using aluminium electrodes, Journal of Environmental Management, 353, 120161, doi:10.1016/j.envman.2024.120161, (2024).
45. Igwegbe, C. A., Obi, C. C., Onyechi, C. C., Davoud, B., Białowiec, A. ve Onukwuli, O. D., Integration of experimental and intelligent modeling for optimizing iron electrocoagulation-flocculation recovery of aquafarm effluent, Desalination and Water Treatment, 320, 100832, doi:10.1016/j.dwt.2024.100832, (2024).
46. Rahman, N. A., Linus, A. A., Jol, A. A., Jalal, N. S. A., Ming, C. K., Borhan, W. W. S. W., Baharuddin, N., Samsul, S. N. A. ve Mutalip, N. A., Kinetic modelling of peat water treatment with continuous electrocoagulation using aluminium electrodes, Journal of Environmental Chemical Engineering, 11, 109559, doi:10.10106/j.jece.2023.109559, (2023).
47. Taşkın, A., Evsel atık suların kimyasal çöktürme ve elektrokoagülasyon arıtımında parçacık sürüsü temelli modelleme ve kontrol yaklaşımı, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2016).
48. Bhagawatia, P. B., Kumar, K., Lokeshappa, B., Malekdar, F., Sapate, S., Adeogun, A. I., Chapi, S., Goswami, L., Mirkhalafi, S. ve Sillanpää, M., Prediction of electrocoagulation treatment of tannery wastewater using multiple linear regression based ANN: comparative study on plane and punched electrodes, Desalination and Water Treatment, 319, 100530, doi:10.1016/j.dwt.2024.100530, (2024).
49. Ribeiro, T. S., Grossi, C. D., Merma, A. G., Santos, B. F. ve Torem, M. L., Removal of boron from mining wastewaters by electrocoagulation method: modelling experimental data using artificial neural networks, Minerals Engineering, 131, 8-13, doi:10.1016/j.mineng.2018.10.016, (2019).